《軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述》7900字

軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u5348軟體機(jī)器人技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述 1309480引言 1271201研究現(xiàn)狀 2145482驅(qū)動(dòng)方式 3149702.1流體驅(qū)動(dòng) 3115892.2智能材料驅(qū)動(dòng) 3260122.3化學(xué)驅(qū)動(dòng) 5252482.4活體細(xì)胞驅(qū)動(dòng) 5125263制造方法 540054應(yīng)用領(lǐng)域 624474.1仿生結(jié)構(gòu) 6165924.2人機(jī)交互醫(yī)療康復(fù) 6139494.3抓取作業(yè) 791754.4野外、海洋偵探 7201245結(jié)論 7摘要：軟體機(jī)器人由柔性材料加工而成，可以任意更改自身尺寸，與剛性機(jī)器人相比，其具有較高的順應(yīng)性、適應(yīng)性和安全性等特點(diǎn)，在仿生結(jié)構(gòu)、醫(yī)療康復(fù)、抓取作業(yè)以及野外勘探等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景，并受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞。本文從軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式、制作方法和應(yīng)用領(lǐng)域方面對(duì)其進(jìn)行綜述，介紹了近年來(lái)制作軟體機(jī)器人較新的方法;按照驅(qū)動(dòng)方式將軟體機(jī)器人分為流體驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)、化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)、活體細(xì)胞驅(qū)動(dòng)，并對(duì)每種驅(qū)動(dòng)方式的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié);軟體機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)主要采用3D打印技術(shù)、形狀沉積法以及智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)工藝等新型工藝制成。總結(jié)了目前軟體機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和存在的難點(diǎn)，得出了開(kāi)發(fā)新材料、高效制造和驅(qū)動(dòng)傳感控制一體化是研究軟體機(jī)器人的未來(lái)方向。關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人；驅(qū)動(dòng)；軟材料；3D打印技術(shù)0引言隨著科技的迅速發(fā)展，機(jī)器人逐漸影響人們的生活，在航空航天，醫(yī)療、教育、服務(wù)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、靈活度有限、安全性差和不能適應(yīng)復(fù)雜的地理環(huán)境，這些缺點(diǎn)制約了其在某些領(lǐng)域中的應(yīng)用，如發(fā)生地震后，希望通過(guò)狹小曲折的通道去探測(cè)幸存者，像核電站這種危險(xiǎn)地方的檢修工作，以及水下救援等等。軟體機(jī)器人是采用變形較大的柔性材料制成的，能連續(xù)變形，具有無(wú)限的自由度，可任意改變其尺寸和形狀[參考文獻(xiàn)[]王田苗,郝雨飛,楊興幫,等.軟體機(jī)器人:結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng),傳感與控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017,參考文獻(xiàn)[]王田苗,郝雨飛,楊興幫,等.軟體機(jī)器人:結(jié)構(gòu),驅(qū)動(dòng),傳感與控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017,53(013):1-13.[]侯濤剛,王田苗,蘇浩鴻,等.軟體機(jī)器人前沿技術(shù)及應(yīng)用熱點(diǎn)[J].科技導(dǎo)報(bào),2017(18):20-28.1研究現(xiàn)狀由于傳統(tǒng)的機(jī)器人的自由度少，不能適應(yīng)復(fù)雜多變的地理環(huán)境，安全性和靈活性都較低，人們?cè)卺t(yī)療、野外勘探等領(lǐng)域?qū)C(jī)器人的特殊應(yīng)用的需求也在增加，因此研究人員將目光放在了軟體機(jī)器人上。1989年，日本岡山大學(xué)設(shè)計(jì)出了一種軟體機(jī)器人柔性抓手（圖1（a））[[]SUZUMORIK.Flexiblemicro-actuator:1streport,staticcharacteristicsof3DOFactuator[J].TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineers:C,1989,55(518):2547-2552.][[]SUZUMORIK.Flexiblemicro-actuator:1streport,staticcharacteristicsof3DOFactuator[J].TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineers:C,1989,55(518):2547-2552.[]SUZUMORIK.Flexiblemicro-actuator:2streport,dynamiccharacteristicsof3DOFactuator[J].TransactionsoftheJapanSocietyofMechanicalEngineers:C,1990,56(527):1887-1893.[]ShepherdR,IlievskiF,ChoiW,etal.Amulti-gaitsoftrobot[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2011,108(51):p.20400-20403.[]MarcheseAD,OnalCD,RusD.AutonomousSoftRoboticFishCapableofEscapeManeuversUsingFluidicElastomerActuators[J].SoftRobotics,2014,1(1):75.[]WehnerM,TrubyRL,FitzgeraldDJ,etal.Anintegrateddesignandfabricationstrategyforentirelysoft,autonomo-usrobots[J].Nature,2016,536(7617):451-455.[]美國(guó)大學(xué)發(fā)明會(huì)“流汗”的軟體機(jī)器人[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2020(02):10.（a）柔性機(jī)械手模型（b）多步態(tài)軟體機(jī)器人（c）軟體機(jī)器魚(yú)（d）章魚(yú)機(jī)器人（e）會(huì)“流汗”的機(jī)器人（f）蜂巢網(wǎng)絡(luò)軟體執(zhí)行器（g）DE材料驅(qū)動(dòng)翼?yè)渌退萝涹w機(jī)器人圖1軟體機(jī)器人近年來(lái)，國(guó)內(nèi)高校和研究院都研究出許多軟體機(jī)器人。2016年，中國(guó)科技大學(xué)王寧揚(yáng)等人[[]王寧揚(yáng),孫昊,姜皓.一種基于蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的軟體夾持器抓取策略研究[J].機(jī)器人,2016,38(3).]開(kāi)發(fā)出基于蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的軟體執(zhí)行器（圖1（f）），該氣動(dòng)蜂巢網(wǎng)絡(luò)是一種剛?cè)嵯嘟Y(jié)合的結(jié)構(gòu)，每個(gè)致動(dòng)器可以在兩個(gè)方向上彎曲，通過(guò)張開(kāi)和閉合的簡(jiǎn)單抓取動(dòng)作就可以很容易抓取尺寸更大的物體，其具備大幅變性、高靈活度、高負(fù)重比和低成本四大特性。2017年，浙江大學(xué)李鐵風(fēng)等人根據(jù)鰓魚(yú)的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式特點(diǎn)，研究出一種高性能的軟體機(jī)器魚(yú)（圖1（g））[[]LiT,LiG,LiangY,etal.Fast-movingsoftelectronicfish[J].ScienceAdvances,2017,3(4):e1602045.]，使用DE薄膜作為該軟體機(jī)器魚(yú)軟體驅(qū)動(dòng)器，在交流電壓作用下，使薄膜的張力改變轉(zhuǎn)換成機(jī)器魚(yú)的撲動(dòng)動(dòng)作，從而可以在水中游動(dòng)。該軟體機(jī)器魚(yú)還具有透明性、耐久性和耐溫性等特性，可以在惡劣的環(huán)境中游動(dòng)。2020年，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院研究出一種集成運(yùn)動(dòng)、變形和變色于一體的多功能微型軟體機(jī)器人[[]王寧揚(yáng),孫昊,姜皓.一種基于蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的軟體夾持器抓取策略研究[J].機(jī)器人,2016,38(3).[]LiT,LiG,LiangY,etal.Fast-movingsoftelectronicfish[J].ScienceAdvances,2017,3(4):e1602045.[]深圳先進(jìn)院研制多功能微型軟體機(jī)器人[J].傳感器世界,2020,26(04):38.2驅(qū)動(dòng)方式軟體機(jī)器人是由具有高柔性和大變形能力的材料制成，傳統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式不適用于軟體機(jī)器人。目前軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方式可以分為流體驅(qū)動(dòng)、智能材料驅(qū)動(dòng)、化學(xué)驅(qū)動(dòng)和活體細(xì)胞驅(qū)動(dòng)等驅(qū)動(dòng)方式。2.1流體驅(qū)動(dòng)流體驅(qū)動(dòng)方式是通過(guò)在超彈性材料制成的機(jī)器人體內(nèi)內(nèi)置不同形狀的流體通道結(jié)構(gòu)，當(dāng)通入氣體或液體時(shí)，通過(guò)控制通道內(nèi)壓力的變化，使軟體機(jī)器人產(chǎn)生變形，從而實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)。流體驅(qū)動(dòng)方式具有大變形，運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，但在精度控制上具有一定的難度。哈佛大學(xué)MichealT.Tolley[[]TolleyMT,ShepherdRF,etal.Aresilient,unteth-eredsoftrobot[J].SoftRobotics,2014,1(3):213-223.]利用改良的氣動(dòng)網(wǎng)格驅(qū)動(dòng)器制作了一個(gè)0.65m長(zhǎng)的完全無(wú)栓移動(dòng)軟機(jī)器人。該機(jī)器人的外殼是硅膠，所以能適應(yīng)雪地、水坑或者火焰等惡劣的環(huán)境。南京理工大學(xué)王江華設(shè)計(jì)了一款注水驅(qū)動(dòng)式人工水母[[]王江華.注水驅(qū)動(dòng)式人工水母的設(shè)計(jì)與研究[D].南京理工大學(xué),2017.]，它的軟體觸手是由硅橡膠材料澆筑而成，人工水母的運(yùn)動(dòng)是依靠向軟體觸手內(nèi)注水加壓后產(chǎn)生彎曲變形實(shí)現(xiàn)的。還有E．Brown等人[[[]TolleyMT,ShepherdRF,etal.Aresilient,unteth-eredsoftrobot[J].SoftRobotics,2014,1(3):213-223.[]王江華.注水驅(qū)動(dòng)式人工水母的設(shè)計(jì)與研究[D].南京理工大學(xué),2017.[]BrownE,RodenbergN,AmendJ,etal.Universalroboticgripperbasedonthejammingofgranularmaterial[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciences,2010.[]羅召俊,王帥,程廣貴,等.基于彈性體材料仿生手的設(shè)計(jì),制造及其控制[D].江蘇大學(xué).2.2智能材料驅(qū)動(dòng)智能材料是一種能夠感應(yīng)外界刺激(例如光、電、熱等)，并能對(duì)之做出相對(duì)應(yīng)反應(yīng)的智能新型材料，例如形狀記憶合金(SMA)、電活性聚合物(EPA)、磁流變材料以及響應(yīng)水凝膠等材料都屬于智能材料，使用智能材料驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人是使用最多的方式。2.2.1SMA驅(qū)動(dòng)SMA是由兩種或多種金屬元素組成的材料，具有形狀記憶效應(yīng)。這種效應(yīng)是其可以作為驅(qū)動(dòng)器的主要原因，當(dāng)?shù)蜏貢r(shí)，材料會(huì)發(fā)生塑性變形，初始狀態(tài)開(kāi)始發(fā)生改變；當(dāng)溫度上升時(shí)，材料會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的形狀。隨著智能柔性材料的發(fā)展，研究人員將SMA嵌入柔性材料中，并利用SMA變形機(jī)理來(lái)驅(qū)動(dòng)材料進(jìn)行變形。2011年，塔夫茨大學(xué)H.THin等人[[]LinHT,LeiskGG,TrimmerB.GoQBot:acaterpi-llarinspiredsoft-bodiedrollingrobot[J].Bioinspiration&Biomi-metics,2011,6(2):026007.]制造出一種仿毛毛蟲(chóng)爬行的仿生機(jī)器人“GoQBot”，該機(jī)器人將SMA嵌入硅膠材料中，來(lái)控制SMA使身體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，從而實(shí)現(xiàn)向前爬行動(dòng)作，它也能夠蜷曲成“Q”形來(lái)進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。同年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)和南洋理工大學(xué)共同研發(fā)了使用SMA合金制造出了有三種運(yùn)動(dòng)方式的軟體機(jī)器人[[]DUY,XUM,DONGEB,etal.Anovelsoftrobotwiththreelocomotionmodes[C]//ProceedingsofIEEEInter-nationalConferenceonRoboticsandBiomimetics.KaronBeach,Phuket,Thailand,2011:98-103.],該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)、Q爬行和蠕動(dòng)這三種形式，并且通過(guò)控制機(jī)體變形和頭尾分離可切換運(yùn)動(dòng)模式。2018年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)夏期榮等人設(shè)計(jì)了一種基于SMA驅(qū)動(dòng)的機(jī)器魚(yú)[]LinHT,LeiskGG,TrimmerB.GoQBot:acaterpi-llarinspiredsoft-bodiedrollingrobot[J].Bioinspiration&Biomi-metics,2011,6(2):026007.[]DUY,XUM,DONGEB,etal.Anovelsoftrobotwiththreelocomotionmodes[C]//ProceedingsofIEEEInter-nationalConferenceonRoboticsandBiomimetics.KaronBeach,Phuket,Thailand,2011:98-103.[]夏期榮,董二寶,楊杰.基于SMA柔性驅(qū)動(dòng)器的機(jī)器魚(yú)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].新技術(shù)新工藝,2018,000(008):17-EAP驅(qū)動(dòng)EAP是近些年來(lái)發(fā)展最為迅速的一類(lèi)智能材料，其在外加電場(chǎng)刺激下可以產(chǎn)生伸縮、彎曲、擰緊等大幅度形變，并且具有強(qiáng)大的電氣和機(jī)械性能，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、傳感等多種功能。根據(jù)其不同的作用機(jī)理，EAP可以分為電子型EAP和離子型EAP，兩者均可產(chǎn)生變形，例如彎曲和拉伸。電子EAP是一種智能材料，可以在直流電的作用下直接輸出位移和應(yīng)力。離子交換聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（IPMC），它是一種典型的離子EAP，由中間的離子交換膜和兩邊的貴金屬層組成。如圖2（a）所示，它主要是通過(guò)離子交換膜中的陽(yáng)離子結(jié)合水分子形成水合陽(yáng)離子，在電場(chǎng)作用下發(fā)生遷移，引起內(nèi)部電荷分布不均等，而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，從而穿過(guò)狹窄的縫隙，但具有耦合效率低、驅(qū)動(dòng)力較小、致動(dòng)速度較差以及材料需在液體環(huán)境中應(yīng)用等問(wèn)題。如Najem等人設(shè)計(jì)了一種采用IPMC為柔性致動(dòng)器的仿生水母機(jī)器人[[]NajemJ,SarlesSA,AkleB,etal.Biomimeticjell-yfishinspiredunderwatervehicleactuatedbyionicpolymermetalc-ompositeactuators[J].SmartMaterialStructures,2012,21(9):299-312.]，該機(jī)器人使用八個(gè)由IPMC材料制成的軟體驅(qū)動(dòng)器，并將其嵌入具有熱收縮聚合物薄膜制造的軟腔中。通電后，IPMC材料彎曲并變形，從而使水母腔體收縮和膨脹，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)似于水母運(yùn)動(dòng)的功能。此外還有蛇形游泳機(jī)器人[[]NakaboY,AsakaK.Biomimeticsoftrobotswithartificialmuscles[C]//ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering.Bellingham,WA:SPIE,2004,5648:132-144.[]NajemJ,SarlesSA,AkleB,etal.Biomimeticjell-yfishinspiredunderwatervehicleactuatedbyionicpolymermetalc-ompositeactuators[J].SmartMaterialStructures,2012,21(9):299-312.[]NakaboY,AsakaK.Biomimeticsoftrobotswithartificialmuscles[C]//ProceedingsofSPIE-TheInternationalSocietyforOpticalEngineering.Bellingham,WA:SPIE,2004,5648:132-144.[]NakaboY,MukaiT,AsakaK.Kinematicmodelingandvisualsensingofmulti-DOFrobotmanipulatorwithpattern-edartificialmuscle[C]//IEEEInternationalConferenceonRoboticsandAutomation.Piscataway,NJ:IEEEPress,2006:4315-4320.（a）IPMC材料驅(qū)動(dòng)原理圖（b）DE材料驅(qū)動(dòng)原理圖電場(chǎng)型EAP驅(qū)動(dòng)是由電場(chǎng)作用產(chǎn)生電效應(yīng)力（圖2（b）），當(dāng)電場(chǎng)作用于電極兩端時(shí)，聚合物膜在厚度方向受相反的電荷的引力作用下被壓縮，在水平方向受同性電荷的斥力作用下水平膨脹，導(dǎo)致聚合物膜的厚度縮小，面積增大，去掉電壓后，DE恢復(fù)到原來(lái)的形態(tài)。Pei等[[]PeiQ,RosenthalM,StanfordS,etal.Multiple-degr-ees-of-freedomelectroelastomerrollactuators[J].SmartMaterialStructures,2004,13(5):N86.[]PeiQ,RosenthalM,StanfordS,etal.Multiple-degr-ees-of-freedomelectroelastomerrollactuators[J].SmartMaterialStructures,2004,13(5):N磁流變驅(qū)動(dòng)磁流變材料(MR)是一種新型智能材料，由低磁導(dǎo)電性基液、懸浮顆粒、聚合物添加劑組成，在無(wú)磁場(chǎng)作用時(shí)，MR呈現(xiàn)為液態(tài)，添加磁場(chǎng)后，材料中的磁粒子被極化，沿磁場(chǎng)方向形成鏈狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)材料呈固態(tài)，如果磁場(chǎng)再次被移除，材料將恢復(fù)到原來(lái)的液態(tài)。磁流變驅(qū)動(dòng)的軟件機(jī)器人具有反應(yīng)速度快、可逆性好等優(yōu)點(diǎn)。Nishida等人[[]NishidaT,OkataniY,TadakumaK.DevelopmentofuniversalrobotgripperusingMR&fluid[J].InternationalJournalofHumanoidRobotics，2016，13(4):231-235.]設(shè)計(jì)了一種基于磁流變驅(qū)動(dòng)的通用軟體機(jī)器人抓手，通電后，機(jī)器人抓手的彈性模量發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)夾取。這種夾持器可以抓取任何形狀的非磁性物體，夾持力最大為[]NishidaT,OkataniY,TadakumaK.DevelopmentofuniversalrobotgripperusingMR&fluid[J].InternationalJournalofHumanoidRobotics，2016，13(4):231-響應(yīng)水凝膠水凝膠是一種高分子聚合物，它能根據(jù)外部環(huán)境的不同做出不同反應(yīng)，并產(chǎn)生相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變化。當(dāng)水凝膠受到酸堿、溫度以及空氣干燥程度的一定外部環(huán)境的刺激，若其表現(xiàn)為材料結(jié)構(gòu)不變時(shí)，但膨脹保留水分時(shí)則為新型水凝膠，反之則為傳統(tǒng)型水凝膠。新型水凝膠的特點(diǎn)是遇刺激產(chǎn)生相應(yīng)的反應(yīng)，撤掉外界刺激后，則恢復(fù)原始狀態(tài)。早稻田大學(xué)NakamaruS等人[[]NakamaruS,MaedaS,HaraY,etal.Developmentofnovelself-oscillatinggelactuatorforachievementofchemicalrobot[C].2009IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,2009:4319-4324]用水凝膠材料制造出一種新型自振動(dòng)凝膠致動(dòng)器，還發(fā)現(xiàn)凝膠的自振蕩的位移與頻率之間存在權(quán)衡關(guān)系。北卡羅萊納州立大學(xué)的Morales等人[[]MoralesDanieletal.Electro-actuatedhydrogelwalkerswithdualresponsivelegs[J].Softmatter,2014,10(9):1337-48.][]NakamaruS,MaedaS,HaraY,etal.Developmentofnovelself-oscillatinggelactuatorforachievementofchemicalrobot[C].2009IEEE/RSJInternationalConferenceonIntelligentRobotsandSystems,2009:4319-4324[]MoralesDanieletal.Electro-actuatedhydrogelwalkerswithdualresponsivelegs[J].Softmatter,2014,10(9):1337-48.[]LeeH,XiaC,FangNX.Firstjumpofmicro-gel;actuationspeedenhancementbyelasticinstability[J].SoftMatter,2010,6(18):4342-4345.2.3化學(xué)驅(qū)動(dòng)化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)是一種特殊的驅(qū)動(dòng)方式，是指利用化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量，使化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，借助機(jī)器人內(nèi)部的微流道可以實(shí)現(xiàn)完全自主的運(yùn)動(dòng)。麻省理工學(xué)院Onal等人[[]OnalCD,ChenX,WhitesidesGM,etal.Softmobilerobotswithon-boardchemicalpressuregeneration[C]//15thInternationalSymposiumofRoboticsResearch.Berlin,Germany:Springer,2017:525-540.]制造了一種通過(guò)分解過(guò)氧化氫產(chǎn)生氧氣提供動(dòng)力的軟體滾動(dòng)機(jī)器人。如圖3所示，該機(jī)器人的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)是電磁閥控制過(guò)氧化氫分解反應(yīng)順序，使執(zhí)行器依次變形實(shí)現(xiàn)的。還有Bartlett等人[[[]OnalCD,ChenX,WhitesidesGM,etal.Softmobilerobotswithon-boardchemicalpressuregeneration[C]//15thInternationalSymposiumofRoboticsResearch.Berlin,Germany:Springer,2017:525-540.[]BARTLETTNW,TOLLEYMT,OVERVELDEJTB，etal.A3D-printed,functionallygradedsoftrobotpoweredbycombustion[J].Science，2015，349(6244):161-165.圖3化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的軟體滾動(dòng)機(jī)器人2.4活體細(xì)胞驅(qū)動(dòng)活體細(xì)胞驅(qū)動(dòng)是將生物的活體細(xì)胞制成驅(qū)動(dòng)器的一種新型驅(qū)動(dòng)方式[[]徐豐羽,郭義全,周映江,等.軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器及制作方法研究綜述[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2018,038(004):69-80.]。利用這項(xiàng)技術(shù)，哈佛大學(xué)生物工程學(xué)院教授KevinParker制造出了全球首個(gè)活體細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人——機(jī)器鰩魚(yú)[]徐豐羽,郭義全,周映江,等.軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器及制作方法研究綜述[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2018,038(004):69-80.[]傅珂杰，曹許諾，張楨.水下軟體機(jī)器人柔性驅(qū)動(dòng)方式及其仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)理研究進(jìn)展[J].科技導(dǎo)報(bào),2017,35(18):44-51.圖4活體細(xì)胞制造的人造黃貂魚(yú)3制造方法軟體機(jī)器人常規(guī)的制備方法有形狀沉積制造(SDM)[[]GAFFORDJ,DINGYe,HARRISA,etal.Shapedepositionmanufacturingofasoft,atraumatic,anddeployablesu-rgicalgrasper[J].JournalofMechanismsandRobotics，2015，7(2):021006.],智能合成微結(jié)構(gòu)(SCM)[[]CHOKJ,KOHJs,KIMS,etal.Reviewofmanufacturingprocessesforsoftbiomimeticrobots[J].InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing,2009,10(3):171-181.]，3D打印[[]BARTLETTNW,TOLLEYMT,OVERVELDEJTB,etal.A3D-printed,functionallygradedsoftrobotpoweredbycombustion[J].Science,2015,349(6244):161-165.]等技術(shù)。圖5是SDM的工藝流程示意圖，SDM是去除加工和分層堆積制造相結(jié)合的一種快速成型工藝，能將電子器件裝在機(jī)械元件中，也可同時(shí)制造硬質(zhì)材料和軟體材料，從而實(shí)現(xiàn)傳感驅(qū)動(dòng)等功能的高度集成[[]曹玉君,尚建忠,梁科山,等.軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述[[]GAFFORDJ,DINGYe,HARRISA,etal.Shapedepositionmanufacturingofasoft,atraumatic,anddeployablesu-rgicalgrasper[J].JournalofMechanismsandRobotics，2015，7(2):021006.[]CHOKJ,KOHJs,KIMS,etal.Reviewofmanufacturingprocessesforsoftbiomimeticrobots[J].InternationalJournalofPrecisionEngineeringandManufacturing,2009,10(3):171-181.[]BARTLETTNW,TOLLEYMT,OVERVELDEJTB,etal.A3D-printed,functionallygradedsoftrobotpoweredbycombustion[J].Science,2015,349(6244):161-165.[]曹玉君,尚建忠,梁科山,等.軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(003):25-33.[]ChamJG,BaileySA,ClarkJE,etal.Fastandrobust:Hexapedalrobotsviashapedepositionmanufacturing[C]//InternationalSymposiumonExperimentalRobotics.2002:869-882.圖6是SCM的工藝流程圖，SCM是制造集成碳纖維復(fù)合材料剛性零件和聚合物薄膜柔性接頭的過(guò)程。由于其能制造出摩擦小、簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的彎曲關(guān)節(jié)，因此特別有利于設(shè)計(jì)和制造中型機(jī)器人，能避免傳統(tǒng)接頭摩擦力大的問(wèn)題。2008年，R.JWood[[]WOODRJ.Thefirsttakeoffofabiologicallyinspriedat-scaleroboticinsect[J].IEEETransactionsonRobotics，2008，24(2):341-347.]利用SCM工藝制造出重量為60毫克的獨(dú)特微型昆蟲(chóng)機(jī)器人,其微型結(jié)構(gòu)由壓電驅(qū)動(dòng)器、布線和傳感器組成，可以產(chǎn)生足夠的推力來(lái)垂直加速。2009年，J.S.Koh等人[[]WOODRJ.Thefirsttakeoffofabiologicallyinspriedat-scaleroboticinsect[J].IEEETransactionsonRobotics，2008，24(2):341-347.[]KOHJS,CHOKJ.Omegabot:BiomimeticinchwormrobotusingSMAcoilactuatorandsmartcompositemicrostru-ctures(SCM)[C]//ProceedingsoftheIEEEInternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics.Guilin,China,2009:11541159.圖5SDM的工藝示意圖圖6SCM的工藝流程圖3D打印技術(shù)又叫增材制造，這項(xiàng)技術(shù)能根據(jù)材料和成型工藝的不同進(jìn)行多方面?zhèn)€性化制造[[]王廣華,馮迪,唐文來(lái),等.3D打印軟體機(jī)器人及其傳感器[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2020(3).]。3D打印技術(shù)發(fā)展的很快，給人們的工作帶來(lái)了便捷。例如2013年Roppenecker等人[[]RoppeneckerDB,PfaffA,CoyJA,etal.Multiarmsnake-likerobotkinematics.2013IEEE/RSJIntConfIntellRobotSyst,Tokyo,Japan.IEEE2013:2013:5040-5045.]采用聚酰胺材料，基于選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)制造出了多臂蛇狀機(jī)器人；2016年Mutlu等人[[]MutluR,YildizSK,AliciG,etal.Mechanicalstiffnessaugmentationofa3Dprintedsoftprostheticfinger.2016IEEEIntConfAdvIntellMechatronics,Ba-nff,Alberta,Canada.2016:7-12.]采用聚氯Z烯(PVC)薄板制成的剛度變強(qiáng)的單元，并使用熔融沉積成型技術(shù)（FDM）制造出了柔性機(jī)器人手指，而且手指完全與撓性鉸鏈兼容。同年Cul等人[[][]王廣華,馮迪,唐文來(lái),等.3D打印軟體機(jī)器人及其傳感器[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(bào)(工程技術(shù)版),2020(3).[]RoppeneckerDB,PfaffA,CoyJA,etal.Multiarmsnake-likerobotkinematics.2013IEEE/RSJIntConfIntellRobotSyst,Tokyo,Japan.IEEE2013:2013:5040-5045.[]MutluR,YildizSK,AliciG,etal.Mechanicalstiffnessaugmentationofa3Dprintedsoftprostheticfinger.2016IEEEIntConfAdvIntellMechatronics,Ba-nff,Alberta,Canada.2016:7-12.[]GulJZ,YangB-S,YangYJ,etal.InsituUVcurable3Dprintingofmulti-materialtrileggedsoftbotwithspidermimickedmulti-stepforwarddynamicgait.SmartMaterStruct.2016:25:115009.[]Skylar-Scott,MA,Mueller,J,Visser,CW,etal.Voxelatedsoftmatterviamultimaterialmultinozzle3Dprinting.Nature.2019:575:7782.4應(yīng)用領(lǐng)域4.1仿生結(jié)構(gòu)軟體人機(jī)器人的研究徹底改變了機(jī)器人的發(fā)展，使仿生機(jī)器人不再是剛性的，它們是具有活生物體外觀的軟體機(jī)器人。目前，仿生機(jī)器人能進(jìn)行執(zhí)行各種仿生運(yùn)動(dòng)，如爬行，游動(dòng)，滾動(dòng)等動(dòng)作。如通過(guò)對(duì)章魚(yú)觸手動(dòng)作特性的研究，得出的結(jié)論是，它提供了一種控制章魚(yú)機(jī)器人水下作業(yè)的好方法，使機(jī)器人能夠在多個(gè)手臂的協(xié)調(diào)下移動(dòng)和捕捉水下物體。軟體機(jī)器人主要使用超彈性硅膠材料，易于驅(qū)動(dòng)并且具有更好的抗擊性。軟體機(jī)器人本身可以不斷變形并具有很多的自由度。它不僅能適應(yīng)障礙，而且可以改變自己的運(yùn)動(dòng)方式，在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下進(jìn)行救援、勘探具有很好的優(yōu)勢(shì)[[]崔新忠,常誠(chéng),繆新穎.仿生機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用研究[J[]崔新忠,常誠(chéng),繆新穎.仿生機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用研究[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2017(4).4.2人機(jī)交互醫(yī)療康復(fù)現(xiàn)如今由于人們生活水平的提高，對(duì)服務(wù)型機(jī)器人的需求也日益增長(zhǎng)。作為這種機(jī)器人的領(lǐng)軍者，軟體機(jī)器人受到的關(guān)注越來(lái)越多，在人機(jī)交互和醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[[]王海濤,彭熙鳳,林本末.軟體機(jī)器人研究進(jìn)展[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020,v.48;No.401(02):98-110.]。傳統(tǒng)的機(jī)器人可以幫助病人彎曲手指，但他們不能執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，而軟體機(jī)器人可以更安全、更靈活地與患者進(jìn)行交互，就像人體靈活的軀干和肌肉一樣。2014年，哈佛大學(xué)PolygerinosP等人設(shè)計(jì)出的軟體機(jī)器人手套[[]PolygerinosP,WangZ,GallowayKC,etal.Softroboticgloveforcombinedassistanceandat-homerehabilitation[J].Robotics&AutonomousSystems，2014，73:135-143.]，如圖7所示，它由軟放大器和纖維放大器組成的彈性腔體組成[]王海濤,彭熙鳳,林本末.軟體機(jī)器人研究進(jìn)展[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2020,v.48;No.401(02):98-110.[]PolygerinosP,WangZ,Gallow